بخشی از مقاله
چکیده
در صنعت نفت، عمران و معدن، از انواع مختلف ابزاربرش جهت استخراج مواد سنگی استفاده میشود. لذا بررسی عکس العمل ابزار برش با سنگ میتواند، راهکاری مناسب جهت تحلیل مسائل مرتبط با شکستهای بوجود آمده در حین حفاری باشد. در این مقاله روند تکه تکه شدن سنگ، طی حرکت افقی تیغه برش PDC با استفاده از نرم افزار عددی کد جریان اجزاء - PFC2D - که رفتار مکانیکی مواد دانهای را با روش المانهای مجزا - DEM - شبیهسازی میکند، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. تغییرات نیروی برش، روند شکست سنگ و ترکهای ایجاد شده در 6 عمق مختلف و 2 زاویهای تیغه 10 و 20 درجه مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داده است، که عمق برش تیغه، در حالت شکست سنگ، میزان ترکهای ایجاد شده، عمق نفوذ ترکها و مقدار نیروی برش تاثیر گذار است. همچنین در عمقهای برش بالا، انتخاب صحیح تیغه، تاثیر به سزایی در تعداد ترکهای ایجاد شده و نیروی برش دارد. مدلسازی عددی برش سنگ، یک روش سریع و کم هزینه، جهت طراحی ابزار برش و بهینه کردن پارامترهای حفاری است.
واژههای کلیدی: تیغه برش PDC، شبیهسازی عددی، مکانیزم شکست، عمق برش، نرم افزار PFC2D
.1 مقدمه
پیشرفت کار حفاری در کاربرد موثر مته خلاصه میشود . مته عامل انتقال انرژی دریافتی از لولهی حفاری به سنگ میباشد، و از این طریق موجب نفوذ در آن میگردد. بدون شک، برش سنگ و نفوذ ابزار مکانیکی در آن از مسائل پیچیده مهندسی است، که از دیرباز مورد توجه محققان بوده است. مکانیزم اساسی در روند برش، این است که ابزار برش نوعی از نیرو را به سنگ وارد میکند، و شکستگیهای در سنگ ایجاد میشود، که این شکستگیها از سطح شروع میشود و برای رسیدن به هدف خود، یعنی استخراج سنگ ادامه پیدا میکند. این ابزارها بر روی سر برش دهندهها بر اساس الگوی خاصی قرار میگیرند. اصولا متههای تیغهای طوری طراحی شدهاند، که با استفاده از مکانیسم شکافتن حفاری میکنند، شکل - - 1 مکانیسم شکستن توسط تیغه برش PDC را دقیقا قبل از اینکه سنگ شکسته شود، تشریح میکند .[1]
هنگامی که در دهه 1970 متههای PDC معرفی شدند، بیشتر محققان تحقیقات خود را به توسعهای مدلهایی برای متههای PDC متمرکز کردند. گلوکا درسال 1989 آزمایش برش سنگی با استفاده از تیغهی برش PDC انجام داد، و با آنالیز کردن دادهها و نتایج، مدلی را برای نیروهای فعال، روی برش دهنده، با در نظر گرفتن عمق برش، زاویهی برش دهنده و شرایط فیزیکی سنگ ارائه داد .[2] جوجی و همکاران، درسال 1992 یک مدل تحلیلی برای بررسی عکس العمل تیغهی برش با سنگ با در نظر گرفتن عمق برش ثابت توسعه دادند. آنها از معیار شکست موهر- کلمب برای مشخص کردن صفحهای برش، استفاده کردند .[3]
اولین کار انجام شده برای شبیهسازی عددی برش سنگ در سال 1984 توسط ویکتور و کلینوسکی انجام شد. آنها نحوهی تشکیل تکه سنگ - Chip - ، در سنگ را تحت فعالیت برش دهندهای تیغهای با استفاده کد گرافیکی FEM مطالعه کردند، و موفق به شبیهسازی انتشار ترک تحت شکست الاستیک خطی شدند .[4] در سال 1999 ، هانگ و همکاران تلاشهای برای شبیهسازی برش سنگ با استفاده از نرم افزار PFC2D انجام دادند، و به خوبی توانستند که انتقال حالت شکست از داکتیل به بریتل را بررسی کنند.[5] در سال 2016، لی و همکاران، مکانیزیم تکه تکه شدن سنگ را تحت نفوذ تیغهی گوهای، با استفاده از نرم افزار PFC2D شبیهسازی کردند .[6] مطالعات آزمایشگاهی و عددی بر روی روند برش سنگ، باعث درک بهتر عکس العمل ابزار برش با سنگ میگردد. از این رو در این تحقیق سعی برآن است که مکانیزم شکست سنگ، طی حرکت افقی تیغه PDC با سرعت ثابت و در 6 عمق برش مختلف، با استفاده از نرم افزار عددی PFC2D شبیهسازی شود و تاثیر عمق برش در مقدار نیروی برش ، حالت شکست سنگ و تعداد ترکهای ایجاد شده بررسی گردد.
.2 مدلسازی عددی
قبل از انجام مدلسازی عددی برش سنگ و بررسی مکانیزم شکست تیغه PDC، در ابتدا باید یک نمونه سنگ مصنوعی ایجاد شود، نرم افزار PFC مدل سازی را بر اساس کوچکترین اجزاء تشکیل دهنده یک جسم توسعه میدهد. برخلاف الگوی مدلسازی در بسیاری از نرمافزارهای ژئومکانیکی، در نرم افزار PFC امکان اعمال مستقیم خصوصیات ماکرومکانیکی به مدل وجود ندارد. در این شرایط با انتخاب صحیح خصوصیات میکرومکانیکی ایدهآل - نظیر سختی نرمال و برشی اتصالات، مدول یانگ و پواسون اتصالها و ... - باید خصوصیات ماکرومکانیکی ایدهآل مدل را برآورد نمود. به گونهای که رفتار ماکرومکانیکی عددی و آزمایشگاهی مشابه گردد .[7] دراین پژوهش از نتایج کالیبراسیون این نرم افزار در رابطه با ماسه سنگ بریا با مقاومت فشاری تک محوره 49 مگاپاسکال استفاده شده است .[8] مدل سازی به صورت دو بعدی و در نرم افزار تجاری PFC2D_v5 انجام میگیرد.
به منظورشبیهسازی برش سنگ، توسط تیغه برش PDC ، نمونهای با ابعاد 25×80 میلیمتر، حاوی - - 7408 ذره دیسکی شکل با ابعاد 0/2 تا 0/322 میلیمتر ساخته شد. از آنجایکه مدل عددی در این شبیهسازی باید نماینده سنگ سیمانه باشد، به همین جهت، از اتصالهای تماسی- موازی بین دیسکها استفاده شده است . در نهایت دو تیغه با زوایهای شیب عقب Bake - - rake angle ،10 و 20 درجه در 6 عمق برش مختلف، با سرعت افقی ثابت، بر روی نمونه حرکت داده شد. شکلهای - 2 - تا - 4 - نتایج مدلسازی را تحت فعالیت تیغهای با زاویه شیب عقب 10 درجه را نشان میدهد.
